简述高光谱成像和多光谱成像的区别

2023-09-19

光谱分析作为自然科学分析的重要手段，光谱技术常常用来检测物体的物理结构、化学成分等指标。最新的光谱技术将光谱分辨能力和图形分辨能力相结合，造就了空间维度上的面光谱分析，也就是现在的多光谱成像和高光谱成像技术。本文简单论述了高光谱成像和多光谱成像的区别。

多光谱技术（Multispectral）

多光谱技术是指能同时获取多个光学频谱波段（通常大于等于3个），并在可见光的基础上向红外光和紫外光两个方向扩展的光谱探测技术。常见实现方法是通过各种滤光片或分光器与多种感光胶片的组合，使其在同一时刻分别接收同一目标在不同窄光谱波段范围内辐射或反射的光信号，得到目标在几张不同光谱带的照片。身边最常见的多光谱照片是彩色相机拍摄的照片，如下图，从频谱上看，其包含了红色（1），绿色（2）和蓝色（3）三个光学频谱波段的信息。如果在相机或者探测器上，增加更多的频带如频带（4）和（5），就可以获得一个含多个频带的多光谱照片了。

多光谱技术结合成像硬件，即可图像形式呈现多光谱信息。

当然也可以仅使用探测器进行单个空间点位的光谱信息获取。海洋光学旗下品牌Pixelteq以独特的芯片滤光技术，可以实现在9*9cm的芯片上获取8个通道的光谱信息，特别适用于空间和成本要求极高的应用场合。

高光谱技术（Hypespectral）

这是一种可以捕获和分析一片空间区域内逐点上光谱的精细技术，由于可以检测到单个对象不同空间位置上的独特光谱“特征”因此可以检测到在视觉上无法区分的物质。

高光谱图像由更窄的波段（10-20 nm）组成。高光谱图像可能有数百或数千个波段。 

物体与光源的光相互作用并被非成像光谱分析设备（比如光谱仪）接收后，设备可以精确地反应出接收到的光信号在光谱频带上分布的强度差异也就是光谱信息。

而使用高光谱设备时，从成像特性角度看，可以了解到样品各个位置的光谱信息，从光谱特性角度看，可以了解在特定光谱带内的信号位置分布，也就是说，高光谱设备可以获取更加丰富的细节信息。

高光谱和多光谱的区别

很多时候材料的反射率特征光谱相对于波长的变化可能非常复杂，而其他微小特征使用较粗糙的多光谱成像方法也有可能无法分辨。

上图中使用多光谱成像（左）识别无法分辨的物质，通过使用高光谱成像（右）被分辨出来。其原因是由于高光谱具有更多的光谱频带，因此可以通过更高的光谱分辨率准确地获得更复杂的指纹特征。我们以相机产品为例，概括了高光谱和多光谱的区别，具体如下： 

1. 波段不同

多光谱相机通常有几个或几十个波段；高光谱相机可能有数百或数千个波段。这是两种相机最根本的区别。 

2. 光谱分辨率不同

多光谱的光谱分辨率较差，由于波段较宽，能够捕获的数量也相对较少；而高光谱由更窄的波段（10-20 nm）组成，具有较高的光谱分辨率，可以检测物体的光谱特效，可提供更多无形的数据。

3. 信息量不同

高光谱可测光谱范围比较广，覆盖红外线、紫外线区域的部分包含可以呈现每个波段的数百个点，可以观察更多的细节，而多光谱则没办法实现。在所测得的信息中，高光谱相机可以测得连续完整的立体图像信息，而多光谱获得的信息是离散的样本数据。 

4. 应用范围不同

多光谱相机复杂性较低，更容易理解和应用，而高光谱相机比较复杂，可以处理更复杂的信息，应用范围和前景都更好一些，如：高光谱相机已被用于绘制入侵物种的地图和帮助矿产勘探。

5. 成本和价格不同

多光谱相机成本比较低，价格也相对比较低。高光谱相机使用器件比较复杂，技术成本比较高，所以购买和维护成本会更高一些。